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オープンソースによる
ポンプ吸込水槽の流れ解析
(株)電業社機械製作所生産本部
技術研究所研究グループ
富松重行
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
1
排水ポンプ場
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
2
オープンソースを利用した解析
市販ソフトは並列ライセンス料が高価なため、大規模解析の実施
が難しい場合が多い。
⇒オープンソースCFDを利用して市販ソフトの解析結果の妥当性
をチェックできないか。
オープンソースCFDを利用するメリット
並列ライセンス料がフリー
⇒ハードがあれば大規模非定常解析が比較的容易に行える。
市販ソフトの並列ライセンス料は高価なため、大規模非定常解析
の実施は困難を伴う。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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メッシュモデル
・メッシュ作成ソフト：
Gridgen
・六面体要素
・節点数：約130万
水中渦（1/10スケールモデル試験）
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
4
FrontFlow/Blueの解析条件
・LES
乱流モデル：ダイナミックスマゴリンスキーモデル
圧力方程式解法：Fractional-Step法
運動方程式解法：
クランク・ニコルソン法＋Balancing Tensor Diffusivity（BTD）項
BTD項係数：0.1
時間刻み幅：1.0×10-3[s]
・境界条件等
流体：水（25℃）圧力：大気圧（1013[hPa]）
入口境界条件： 1.02×104[m3/h]
流出条件：自由流出
壁面：滑りなし、水面：滑りあり
※ターボ機械協会HPCプロジェクトのクラスタを利用
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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メッシュのリファイン
メッシュ数は8倍に
オリジナル
リファイン1回
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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渦中心線による可視化
オリジナル
リファイン1回
※渦中心線はFieldViewの「Vortex Core：
Vorticity Alignment」機能により作成
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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ここまでのまとめ
・試験では水槽床面から水中渦が発生したのに対して、解析では
側壁からの水中渦の発生が予測された。この違いは、試験装置
の側壁が木製、床面が鉄板に塗料を塗ったものであるため摩擦
係数が違うこと、また試験装置の大きさが約2 m×3 mと大きく、試
験装置の水平が精度よく出ていないことなどが原因であると考え
られる。
・現在のコンピュータパフォーマンスであれば、LESによる解析でも
実業務に対応できる時間内で計算できる。
課題
解析担当者がオープンソースに精通しているとは限らない。
⇒市販ソフトに比べてオープンソースの場合はソフトの使い方だけ
でも教えることが多く、人材育成が難しい。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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解析モデル
ICEMで作成
Inlet
手早く解析を実施
する場合は、ヘキ
サよりテトラ＋プリ
ズムで作成した
メッシュモデルを
使用したい。
Outlet
要素数：5,069,504
節点数：1,321,041
作動流体：水
OpenFOAM、FFR
はRANSモデルが
豊富にある。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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ANSYS CFXによる解析
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===========================================================
|
Timescale Information
|
---------------------------------------------------------------------|
Equation
|
Type
| Timescale |
+----------------------+------------------------+--------------------+
| U-Mom
| Auto Timescale
| 7.22923E-01 |
| V-Mom
| Auto Timescale
| 7.22923E-01 |
| W-Mom
| Auto Timescale
| 7.22923E-01 |
+----------------------+------------------------+--------------------+
| K-TurbKE
| Auto Timescale
| 7.22923E-01 |
| E-Diss.K
| Auto Timescale
| 7.22923E-01 |
+----------------------+------------------------+--------------------+
===========================================================
OUTER LOOP ITERATION = 106
CPU SECONDS = 3.030E+04
---------------------------------------------------------------------|
Equation
| Rate | RMS Res | Max Res | Linear Solution |
+----------------------+------+---------+---------+------------------+
| U-Mom
| 0.95 | 1.1E-03 | 7.5E-02 |
4.4E-02 OK|
| V-Mom
| 0.90 | 8.8E-04 | 9.8E-02 |
4.7E-02 OK|
| W-Mom
| 0.93 | 1.8E-03 | 1.3E-01 |
1.1E-01 ok|
| P-Mass
| 0.89 | 1.1E-04 | 1.9E-02 | 14.1 9.4E-02 OK|
+----------------------+------+---------+---------+------------------+
| K-TurbKE
| 0.35 | 4.3E-03 | 4.9E-01 | 5.9 3.7E-02 OK|
| E-Diss.K
| 0.15 | 1.5E-03 | 1.0E+00 | 7.7 9.6E-04 OK|
+----------------------+------+---------+---------+------------------+
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2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
Timescaleの値が大きい。
CFXは連成AMGソルバー
（Coupled Algebraic MultiGrid Solver）。
RANSの定常解析は速い。
FFR、OpenFOAMでは発散
するような値。
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OpenFOAMによる解析
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Time = 0.069
DILUPBiCG: Solving for Ux, Initial residual = 0.524448, Final residual = 0.00285803, No Iterations 1
DILUPBiCG: Solving for Uy, Initial residual = 0.446705, Final residual = 0.00453069, No Iterations 3
DILUPBiCG: Solving for Uz, Initial residual = 0.241567, Final residual = 0.0103922, No Iterations 1
DICPCG: Solving for p, Initial residual = 0.94902, Final residual = 0.140841, No Iterations 1001
time step continuity errors : sum local = 4.75942e+06, global = -956.517, cumulative = -958.532
DILUPBiCG: Solving for epsilon, Initial residual = 0.68205, Final residual = 0.0227382, No Iterations 6
bounding epsilon, min: -5.46812e+12 max: 4.12496e+28 average: 1.51356e+23
DILUPBiCG: Solving for k, Initial residual = 0.705153, Final residual = 0.0108126, No Iterations 2
bounding k, min: -2.24824e+07 max: 1.42355e+20 average: 4.90236e+14
ExecutionTime = 808.82 s ClockTime = 815 s
Time = 0.07
DILUPBiCG: Solving for Ux, Initial residual = 0.585523, Final residual = 0.00030071, No Iterations 1
DILUPBiCG: Solving for Uy, Initial residual = 0.470695, Final residual = 0.000282141, No Iterations 1
DILUPBiCG: Solving for Uz, Initial residual = 0.511521, Final residual = 0.00257326, No Iterations 1
DICPCG: Solving for p, Initial residual = nan, Final residual = nan, No Iterations 1001
time step continuity errors : sum local = nan, global = nan, cumulative = nan
DILUPBiCG: Solving for epsilon, Initial residual = nan, Final residual = nan, No Iterations 1001
DILUPBiCG: Solving for k, Initial residual = nan, Final residual = nan, No Iterations 1001
[5]
[5]
[5] --> FOAM FATAL IO ERROR:
[5] wrong token type - expected Scalar, found on line 0 the word 'nan’
発散
laminarでも発散
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2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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OpenFOAMによる解析の発散場所
ポンプベルマ
ウス周りで、速
度が400 m/sを
超えている。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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メッシュ品質
OpenFOAMの“checkMesh –constant”コマンドより、
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Checking geometry...
Overall domain bounding box (-23.6896 -18.6143 -5.38446) (17.5355 23.873 2.25106)
Mesh (non-empty, non-wedge) directions (1 1 1)
Mesh (non-empty) directions (1 1 1)
Boundary openness (2.07541e-18 -6.37981e-18 8.82733e-16) OK.
Max cell openness = 5.31904e-15 OK.
Max aspect ratio = 230.304 OK.
Minimum face area = 1.3863e-08. Maximum face area = 0.0623246. Face area magnitudes OK.
Min volume = 1.30148e-11. Max volume = 0.00518811. Total volume = 1844.06. Cell volumes OK.
Mesh non-orthogonality Max: 83.8694 average: 19.2696
*Number of severely non-orthogonal faces: 6274.
Non-orthogonality check OK.
<<Writing 6274 non-orthogonal faces to set nonOrthoFaces
Face pyramids OK.
Max skewness = 3.74969 OK.
Coupled point location match (average 0) OK.
“OK”となっているが
赤矢印の項目があ
やしい。
特に最大非直交性。
（具体的に調べたわけでなく、経験論
ですが、） OpenFOAMは70度程度に
なるようにメッシュモデルを作らないと
計算できない模様。
Mesh OK.
End
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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ICEMとPointwiseによるメッシング
ベルマウス周りの形状
が崩れている。
メッシュを作成をする際
に、担当者の習熟度に
ICEM
依存するような作業はな
要素数：約284万
るべく行わなかった。
節点数：約73万
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
Pointwise (Delaunay)
要素数：約258万
節点数：約84万
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NuFD FFRの解析結果（速度分布）
乱流モデル：SST
設定はデフォルトのまま
Pointwise (Delaunay)
ICEM
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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メッシュ品質（Pointwise）
OpenFOAMの“checkMesh –constant”コマンドより、
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Checking geometry...
Overall domain bounding box (-0.16 -2.89 0) (0.14 0.11 1.1)
Mesh (non-empty, non-wedge) directions (1 1 1)
Mesh (non-empty) directions (1 1 1)
Boundary openness (1.33507e-18 2.86084e-17 1.46609e-15) OK.
Max cell openness = 1.03253e-15 OK.
Max aspect ratio = 100.078 OK.
Minimum face area = 1.52232e-07. Maximum face area = 0.000168559. Face area magnitudes OK.
Min volume = 1.56003e-10. Max volume = 6.97181e-07. Total volume = 0.213574. Cell volumes OK.
Mesh non-orthogonality Max: 87.5525 average: 15.4572
*Number of severely non-orthogonal faces: 651.
Non-orthogonality check OK.
<<Writing 651 non-orthogonal faces to set nonOrthoFaces
Face pyramids OK.
Max skewness = 2.69833 OK.
Coupled point location match (average 0) OK.
青矢印の項目が出たらNGという
こと？
Mesh OK.
End
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
OpenFOAMによる解析は発散。
非直交性が問題か？
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メッシュ品質（ICEM）
OpenFOAMの“checkMesh –constant”コマンドより、
～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～
Checking geometry...
Overall domain bounding box (-0.16 -2.89 0) (0.14 0.11 1.1)
Mesh (non-empty, non-wedge) directions (1 1 1)
Mesh (non-empty) directions (1 1 1)
Boundary openness (-1.4423e-16 2.31411e-17 -9.49614e-16) OK.
Max cell openness = 6.8875e-16 OK.
Max aspect ratio = 17.367 OK.
Minimum face area = 6.93899e-07. Maximum face area = 0.000129595. Face area magnitudes OK.
Min volume = 6.82811e-10. Max volume = 4.00101e-07. Total volume = 0.213558. Cell volumes OK.
Mesh non-orthogonality Max: 66.4472 average: 11.8022
Non-orthogonality check OK.
Face pyramids OK.
Max skewness = 2.53067 OK.
Coupled point location match (average 0) OK.
Mesh OK.
End
OpenFOAMによる解析は収束。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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まとめ
・ロバスト性はオープンソースCFDよりも市販CFDソフトのほうが
上だが、計算を安定させるための処理がどの程度行われている
のかが疑問（常に、結果に影響を与えない程度なのか？）。
・オープンソースCFDといっても、ソフトによってメッシュモデルとの
相性、ロバスト性は異なる。
・オープンソースCFDには安定した計算と信頼性のため、形状の
再現性とメッシュの粗密などコントロール性の高いメッシャーが必
要である。
2014.11.14（金）
オープンCAEシンポジウム2014（東京）
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